长输管道热收缩带补口失效分析及优化改进技术

王玉石，白天阳，刘诗茵，蔡亮，刘海龙，吕林林

（1. 中石油天然气销售河南分公司，河南 郑州，450000）

（2. 中油国际管道有限公司，北京，100029）

（3. 中航油京津冀物流有限公司，天津，300300）

（4. 国家管网集团北方管道有限责任公司秦皇岛输油气分公司，河北 秦皇岛 066000）

（5. 中国石油青海油田分公司管道处，青海 格尔木 816000）

1 前言

防腐补口是管道腐蚀防护系统的关键程序和薄弱环节，直接影响管道运行安全和使用寿命。相对管道干线防腐层在工厂预制，管道补口在现场完成，受制于施工环境条件等影响因素，补口防腐层质量不能完全保证。提高管道防腐补口质量，可以延长在役管道使用寿命。分析了热收缩带补口施工难点和失效原因。针对提高管道防腐补口质量，提出合理化建议和技术措施，并对未来新型补口材料需求及技术创新进行了展望。

2 热收缩带（套）材料补口

从20世纪90年代三层聚乙烯（3PE）成为欧洲管道防腐层主流形式。3PE防腐层具有良好机械性能、耐渗透性能和易加工性等优点，从2002年陕京线采用3PE防腐层，我国新建大型油气管道广泛采用3PE防腐层，配套补口型式为“环氧底漆+热熔胶粘剂+交联辐射聚乙烯热收缩带”三层复合结构。施工工艺为补口区域钢管表面处理至规定等级，搭接处管体PE层进行毛化处理，预热补口区域后涂刷环氧底漆，采用烘烤方式将热收缩带固定在补口区域。

3 热收缩带补口失效形式及原因分析

调研国内管道热收缩带补口应用出现失效问题，主要失效形式是界面密封性能失效；其次防腐层发生损伤或剥离，可能产生阴极保护电流屏蔽问题，影响阴极保护效果。热收缩带失效主要是两方面原因，热收缩带及配套产品性能不满足防腐补口工艺要求；现场环境条件限制以及施工过程质量控制不严格，例如由于人工火焰烘烤安装方式受施工现场环境和工人技术素质影响，不能完全保证质量。

3.1 底漆从钢管表面脱落

3PE管道补口底漆是双组份液态环氧树脂，涂刷底漆前，钢管表面进行处理。底漆从钢管表面脱落，可能是以下原因：

（1）表面处理不佳。未对钢管表面进行有效喷砂除锈；喷砂过程混入杂质，降低环氧树脂和钢管的粘结效果；喷砂形成的表明锚纹深度不够或者深度不均匀。

（2）环氧底漆混合不均匀、固化不完全。

（3）环氧底漆添加剂含量过高，降低了对钢管粘结强度。

（4）底漆加热快速固化产生较大内应力，造成底漆和钢管附着力下降；

3.2 热熔胶粘剂与环氧底漆粘结失效

热熔胶粘剂在3PE管道补口中起到密封作用，经加热将热收缩带和焊口两侧的环氧底漆层紧密粘结，同时实现与搭接部位主管道PE层的粘结。热熔胶粘剂对底漆和主管道PE层的粘结强度是影响补口质量的关键因素，良好粘结效果才能保证两侧管线的焊接部位与空气/土壤隔离，防止发生腐蚀。热熔胶粘剂与环氧底漆粘结失效原因分析如下：

（1）预热温度不合理。预热温度过低，环氧底漆固化反应不完全，胶层不能完全熔化，影响胶粘剂复合效果；预热温度过高，环氧底漆已完全固化，胶粘剂不能与环氧底漆产生物理化学反应，影响界面性能。

（2）热熔胶粘剂成分与环氧底漆不匹配。热熔胶粘剂如含有丁基橡胶或EVA树脂，极性较弱，环氧底漆极性较强，二者性能差异大，粘结性能差。

（3）施工中加热过程不均匀，热熔胶粘剂熔化不均匀，影响胶粘剂与环氧底漆粘结效果。

3.3 热熔胶粘剂与主管道PE层粘结失效

热收缩带与管体搭接防腐层及补口区钢管表面粘接不良，剥离脱落造成防护失效。原因分析如下：

（1）热收缩带整体烘烤不均匀，例如只对热收缩带端部烘烤，导致中部热熔胶与主管道PE层粘结效果差。

（2）热熔胶粘剂中非极性组分含量低，导致与非极性聚乙烯基材粘结效果差。

（3）主管道PE层含有杂质影响粘结效果。

4 热收缩带补口技术改进优化

国外管道防腐层技术发展趋势主要是持续改进3PE、DFBE防腐层材料结构和施工工艺[1]，这也是管道防腐补口的发展方向。建议从改进热熔胶粘剂性能、研制专用补口工具、优化施工工艺和完善标准规范方面加以改进。

（1）热熔胶粘剂/环氧底漆改性提升流动性和粘结性能。热收缩带防腐补口三种失效形式其中两种和热熔胶粘剂有关，热熔胶粘剂与环氧底漆和主管道PE层粘结失效。改进热熔胶粘剂性能是提升补口质量的关键。环氧底漆含多种极性集团，易于和热熔胶粘剂粘结；PE层缺乏极性集团，难以形成较长附着力。应研究优化热熔胶粘剂中极性/非极性组分的比例匹配，提高对环氧底漆/PE层的截面粘结性能。另一方面，管道补口材料受外力因素较多，例如温度变化热应力、土体移动剪切应力对粘结截面造成不利影响，热熔胶粘剂应剔除小分子组分（例如萜烯树脂），小分子迁移产生额外应力降低粘结界面强度。热熔胶粘剂应考虑组分分子量的多样分散性，宽分子量分布有助于缓冲轴向应力作用。

（2）研制多类型管道补口专用机械机具，例如移动式中频加热机、LPG催化燃烧红外补口加热机、环保型自动喷砂除锈设备、高压无气聚氨酯自动喷涂机，减少人为因素影响，保证补口施工质量和规范化。

（3）从优化施工工艺方面，可在一定程度提高补口质量。首先改进加热方式，以机具加热替代烘烤加热，或者采用红外或者中频辐射加热方式保障管体受热均匀，必要时可以精准控制管体加热温度，预防预热不足或者过热问题。其次，严格监督钢管表面处理、喷砂除锈、预热、刷涂底漆、缠热收缩带等环节施工质量。补口施工人员应完成技术培训、持证上岗，加强施工人员责任心和质量意识。

（4）从完善管道防腐补口标准规范方面，我国已制定国家标准GB/T 51241-2017《管道外防腐补口技术规范》，注重补口整体性能但对材料质量关注较少，补口适用范围和系统性评价还需改进，应进一步细化补口材料类型、结构设计、选用依据、涂覆工艺评定和质量性能检验等内容。

（5）我国长输管道选择补口形式设计方案有限，特别是高寒、山区、水网等特殊环境缺乏灵活性，管道防腐补口材料兼具优缺点和特定应用范围，选择补口材料、技术和方式应实地调研管道腐蚀环境，充分考虑补口施工条件和环境特点。

5 新型防腐补口材料研发展望

由于补口技术在管道全生命周期各阶段的重要性，国外管道建设中应用了性能优异的特殊类型的防腐补口材料，研发新型补口材料主要考虑环保、施工工艺、经济等方面的需求，例如液态聚氨酯补口材料较好解决热收缩带在低温条件下性能不足问题，液体补口材料成为重要发展方向。陶瓷、搪瓷和玻璃涂层则具有耐热、抗寒、抗老化、使用寿命长等突出特征，无机防腐涂层技术也占据一席之地。其他新型防腐补口材料包括与多种防腐层兼容性强的聚丙烯冷缠胶黏带补口；具备较强自愈性的“黏弹体+外护带”补口等。